小角中性子散乱

小角中性子散乱（SANS）は、小さな散乱角での弾性中性子散乱を利用して、約1～100 nmのメソスコピックスケールでさまざまな物質の構造を調べる実験技術です。

小角中性子散乱は多くの点で小角X線散乱（SAXS）と非常によく似ており、両方の技術はまとめて小角散乱（SAS）と呼ばれています。^[1] SAS法の最も重要な特徴は、無秩序なシステムの内部構造を分析できる可能性であり、この方法の適用は、このような大規模な密度不均一性のランダムな配置を持つシステムの直接的な構造情報を取得するユニークな方法であることがよくあります。 SANSがSAXSよりも優れている点は、軽元素に対する感度、同位体ラベル付けの可能性、および磁気モーメントによる強い散乱です。

SANS 実験では、中性子ビームがサンプルに向けられます。サンプルは、水溶液、固体、粉末、または結晶です。中性子は、原子核との相互作用、または不対電子の磁気運動量との相互作用によって弾性散乱されます。X 線散乱では、光子が電子雲と相互作用するため、元素が大きいほど、影響が大きくなります。中性子散乱では、中性子が原子核と相互作用し、その相互作用は同位体に依存します。重水素などの一部の軽元素は、Pb などの重元素と同様の散乱断面積を示します。

回折のゼロ次動力学理論では、屈折率は散乱長密度に直接関係しており、中性子波と特定の原子核との相互作用の強さの尺度です。次の表は、いくつかの化学元素の中性子散乱長を示しています（10 ⁻¹² cm単位）。^[2]

散乱長の相対的なスケールは同じであることに注意してください。もう 1 つの重要な点は、水素からの散乱は重水素からの散乱とは異なるということです。また、水素は負の散乱長を持つ数少ない元素の 1 つであり、これは水素から偏向した中性子が他の元素によって偏向した中性子に対して 180° 位相がずれていることを意味します。これらの特徴はコントラスト変化の手法にとって重要です (以下を参照)。

SANS では通常、中性子ビームのコリメーションを使用して中性子の散乱角を決定します。その結果、約 1 μm を超える比較的長い長さスケールのサンプルの特性に関する情報を含むデータの信号対雑音比がますます低くなります。従来の解決策は、超小角中性子散乱 (USANS) のように、ソースの輝度を上げることです。代替として、スピンエコー小角中性子散乱 (SESANS) が導入されました。これは、中性子スピンエコーを使用して散乱角を追跡し、中性子散乱で調査できる長さスケールの範囲を 10 μm をはるかに超える範囲に拡大しました。

斜入射小角散乱(GISANS) は、SANS と中性子反射測定法の考え方を組み合わせたものです。

SANS の重要な特徴は、特に重水素と比較した水素の特別な挙動であり、生物科学に特に有用です。生物系では、水素は重水素と交換することができ、通常はサンプルへの影響は最小限ですが、散乱には劇的な影響を及ぼします。

コントラスト変化（またはコントラストマッチング）の技術は、水素と重水素の微分散乱に依存しています。図1は、水とさまざまな生物学的高分子の散乱長密度を重水素濃度の関数として示しています。（^{[2]から引用）生物学的サンプルは通常水に溶解しているため、その水素は}溶媒中の重水素と交換できます。分子の全体的な散乱は分子のすべての成分の散乱に依存するため、これは分子内の水素と重水素の比率に依存します。マッチポイントと呼ばれるH ₂ OとD ₂ Oの特定の比率では、分子からの散乱が溶媒の散乱と等しくなり、データからバッファーからの散乱を差し引くと除去されます。たとえば、タンパク質のマッチポイントは通常約40〜45％のD ₂ Oであり、その濃度ではタンパク質からの散乱はバッファーの散乱と区別がつきません。

コントラスト変化を利用するには、システムの異なるコンポーネントが異なる散乱をする必要があります。これは、DNA とタンパク質などの固有の散乱の違いに基づく場合もあれば、異なるラベルが付けられたコンポーネントから生じる場合もあります。たとえば、複合体内の 1 つのタンパク質が重水素化され、残りがプロトン化されている場合があります。モデリングに関しては、小角 X 線および中性子散乱データを MONSA プログラムと組み合わせることができます。SAXS、SANS、EM データを使用して、大規模なマルチサブユニット酵素の原子モデルを構築した例が最近発表されました。^[3]この方法の例については、^{[4]を参照してください。}

大規模な物質（ソフトマターなど）や遅いダイナミクスの研究には、極低温中性子（VCN）を使用する必要があります。しかし、この範囲では中性子束が弱く、光学部品が不足しているため、ほとんどの科学者はより短い波長の中性子を使用しています。この不足を補うための努力が続けられています。^[5]

世界中の研究炉や核破砕源などの中性子施設では、多数の SANS 機器が利用可能です。

• 中性子顕微鏡

• Fejgin, Lev A.:小角X線および中性子散乱による構造解析、ニューヨーク: Plenum (1987)。
• ヒギンズ、ジュリア S. ; ブノワ、アンリ:ポリマーと中性子散乱。オックスフォード: クラレンドン プレス (1994?)。
• ハムリー、イアン、：小角散乱：理論、計測、データ、およびアプリケーションチチェスター：ワイリー（2022）。

• 小角散乱ポータル、リンク集、詳細なソフトウェアリスト
• SANS機器の世界ディレクトリ
• B. Hammouda: ナノスケール構造の探査 - SANS ツールボックス (690 ページ)
• ISIS 中性子・ミューオン源における小角散乱